KR101392269B1 - 정전기력을 이용하는 인쇄 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 정전기력을 이용하는 인쇄 시스템에 관한 것이며, 본 발명의 정전기력을 이용하는 인쇄 시스템은 내부로부터 잉크가 토출되도록 전압이 인가되는 노즐; 상기 노즐과 대항되고 상기 노즐로부터 분사되는 잉크가 착탄되며 전기적 절연성을 가지는 소재로 마련되는 기판; 상기 노즐과 상기 기판 사이에 배치되고, 상기 노즐로부터 상기 기판 상으로 토출되는 잉크가 통과하도록 잉크의 이동경로 상에 관통부가 형성되며, 상기 관통부 내로 전기장이 집중되도록 상기 노즐에 인가되는 전압과 동일한 극성의 전압이 인가되는 마스크; 상기 노즐 또는 상기 마스크에 전압을 인가하는 전압 인가부; 상기 노즐과 대향되는 면의 반대쪽에 마련되며, 상기 전압 인가부로부터 상기 노즐에 인가되는 전압과 반대 극성의 전압이 인가되는 대향전극;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명에 의하면, 마스크를 이용하여 전기장을 집중함으로써 착탄 정밀도를 향상시키고, 나아가 인쇄 품질을 향상시킬 수 있는 정전기력을 이용하는 인쇄 시스템이 제공된다.

Description

정전기력을 이용하는 인쇄 시스템{PRINTING SYSTEM USING ELECTROSTATIC FORCE}
본 발명은 정전기력을 이용하는 인쇄 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 잉크의 착탄 정밀도를 향상시킬 수 있는 정전기력을 이용하는 인쇄 시스템에 관한 것이다.
종래의 정전기력을 이용하는 잉크토출장치는 액면을 정전기력으로 당기는 힘을 이용하여 액적 또는 연속 젯을 토출하기 때문에 종래의 잉크젯과는 달리 나노스케일의 패터닝도 가능하며 고점도의 잉크도 토출할 수 있다는 장점이 있다. 정전기젯프린팅은 500 cP 정도의 저점도 잉크를 이용하여 요구시 패턴(drop-on-demand) 방식의 프린팅이 가능하며 노즐의 크기보다 더 작은 액적을 생성할 수 있고 1 um 수준의 액적도 제팅할 수 있어 최근에 많은 기술 개발이 보고되고 있다.
이와 더불어 정전기 젯 프린팅은 고점도의 잉크를 전기방사하여 연속젯을 형성하고 직선 구간을 정밀하게 제어하여 선을 구현할 수 있는 장점이 있다. 노즐의 구경 대비 형성되는 젯의 지름은 1/10 내지 1/1000 배로 작아 질 수 있어 나노스케일의 선폭도 구현 가능한 장점이 있다. 이를 이용하면 리소그래피를 대체하여 간단한 전기회로 또는 구조를 형성할 수도 있다.
도 1은 종래의 인쇄 장치에 의한 문제점의 일례를 개략적을 도시한 것이고, 도 2는 종래의 인쇄 장치에 의한 문제점의 다른례를 개략적으로 도시한 것이다.
도 1(a) 및 도 1(b)에 도시된 바와 같이, 정전기장에 의하여 잉크가 제팅되고 기판에 탄착하기 때문에 주변의 조건에 의하여 잉크의 방향이 왜곡되거나 기판의 원하는 지점에 집중되지 못하는 한계가 있다. 노즐을 통과하여 토출된 액적은 레일리 한계(Rayleigh limit)을 넘는 과도한 전하의 유도에 의하여 2차 분쇄(fission) 되어 패턴의 정교성을 훼손할 수 있다.
고점도의 잉크를 이용하여 연속젯 프린팅을 할 경우에는, 노즐을 통과한 연속젯의 불안정성에 의하여 젯의 직진성이 훼손되거나 젯 표면에서 2차 분쇄가 일어날 수 있다. 더불어 액적 또는 연속 젯 모두 기판에 충돌하면서 분산된 미세 입자들이 사방에 퍼짐으로서 기판을 오염하고 설계된 패턴을 만들지 못하는 문제를 초래할 수 있다.
또한, 도 1(c) 및 도 1(d), 도 2에 도시된 바와 같이, 정전기력을 이용하는 잉크토출장치 및 프린팅 방법은 평면 또는 볼록면에는 패터닝이 용이하나, 오목한 구조물 내부로의 패터닝은 어려움이 많았다. 즉, 돌출된 구조물, 특히, 뾰족한 구조물에 전하가 집중되는 특성에 의하여 평면위에 음각된 구조 내부로는 토출된 액적 또는 젯이 패터닝을 형성하기 어려움이 있다.
또한, 노즐과 기판사이에 존재하는 전기장에 의한 정전기력으로 젯이 생성되고 기판에 패터닝이 되기 때문에 기판이 전도성 물질일 경우에에만 패터닝이 원활하게 잘 되는 어려움이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 마스크를 이용하여 전기장을 집중함으로써 착탄 정밀도를 향상시키고, 나아가 인쇄 품질을 향상시킬 수 있는 정전기력을 이용하는 인쇄 시스템을 제공함에 있다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 내부로부터 잉크가 토출되도록 전압이 인가되는 노즐; 상기 노즐과 대항되고 상기 노즐로부터 분사되는 잉크가 착탄되며 전기적 절연성을 가지는 소재로 마련되는 기판; 상기 노즐과 상기 기판 사이에 배치되고, 상기 노즐로부터 상기 기판 상으로 토출되는 잉크가 통과하도록 잉크의 이동경로 상에 관통부가 형성되며, 상기 관통부 내로 전기장이 집중되도록 상기 노즐에 인가되는 전압과 동일한 극성의 전압이 인가되는 마스크; 상기 노즐 또는 상기 마스크에 전압을 인가하는 전압 인가부; 상기 노즐과 대향되는 면의 반대쪽에 마련되며, 상기 전압 인가부로부터 상기 노즐에 인가되는 전압과 반대 극성의 전압이 인가되는 대향전극;를 포함하는 것을 특징으로 하는 정전기력을 이용하는 인쇄 시스템에 의해 달성된다.
또한, 상기 목적은, 본 발명에 따라, 내부로부터 잉크가 토출되도록 전압이 인가되는 노즐; 상기 노즐과 대항되고 상기 노즐로부터 분사되는 잉크가 착탄되며 전기적 전도성을 가지는 소재로 마련되는 기판; 상기 노즐과 상기 기판 사이에 배치되고, 상기 노즐로부터 상기 기판 상으로 토출되는 잉크가 통과하도록 잉크의 이동경로 상에 관통부가 형성되며, 상기 관통부 내로 전기장이 집중되도록 상기 노즐에 인가되는 전압과 동일한 극성의 전압이 인가되는 마스크; 상기 노즐 또는 상기 마스크에 전압을 인가하는 전압 인가부; 상기 마스크와 상기 기판 간의 전기적 연결이 차단되도록 상기 마스크와 상기 기판 사이에 배치되는 절연체;를 포함하는 것을 특징으로 하는 정전기력을 이용하는 인쇄 시스템에 의해 달성된다.
삭제
또한, 상기 전압 인가부는 상기 관통부 내로 전기장의 집중도를 증가시키기 위하여 상기 노즐에 인가되는 전압보다 높은 전압을 상기 마스크에 인가할 수 있다.
또한, 상기 관통부의 폭을 조절하여 상기 기판에 인쇄되는 패턴의 선폭을 제어할 수 있다.
또한, 상기 노즐로부터 토출되는 잉크의 단면적이 제어되도록 상기 노즐의 외측에서 가이드 가스를 분사하는 가스 분사부를 더 포함할 수 있다.
또한 상기 잉크는 전기장에 의하여 상기 노즐의 단부에서 액면을 형성한 후에 액적으로 토출되고, 상기 가스 분사부는 상기 노즐의 단부에 형성되는 상기 잉크의 액면을 향하여 상기 가이드 가스를 분사함으로써 상기 잉크의 액면을 제어할 수 있다.
또한, 상기 가스 분사부는 상기 노즐로부터 분사되는 액적을 향하여 상기 가이드 가스를 분사함으로써 분사되는 잉크 액적의 직경을 제어할 수 있다.
또한, 상기 잉크는 상기 노즐로부터 연속적으로 분사되며, 상기 가스 분사부는 상기 노즐로부터 선형(linear)으로 연속하여(continuously) 토출되는 잉크를 향하여 상기 가이드 가스를 분사함으로써 토출되는 잉크 단면의 직경을 제어할 수 있다.
또한, 상기 노즐의 외경은 상기 잉크가 분사되는 측으로 갈수록 감소하며, 상기 가스 분사부는 상기 노즐로부터 이격되어 상기 노즐을 감싸는 이격 하우징을 포함하고, 상기 노즐과 상기 이격 하우징 사이에 형성되는 가스유동로를 통하여 상기 가이드 가스를 분사할 수 있다.
본 발명에 따르면, 전압이 인가되는 마스크를 이용하여 전기장을 집중시킴으로써 기판 상에 잉크의 착탄 정밀도를 향상시킬 수 있는 정전기력을 이용하는 인쇄 시스템이 제공된다.
또한, 토출되는 잉크의 2차 분쇄를 방지함으로써, 기판에 형성되는 패턴의 정확도를 향상시킬 수 있다.
또한, 음각형의 기판의 내부에도 정확하게 분사가 가능하다.
또한, 노즐과 대향되는 위치에 별도의 대향전극을 배치하고 전압을 인가함으로써 전기적 절연 특성의 기판 상에도 정밀 인쇄가 가능하다.
또한, 전기적 전도성을 가지는 기판을 이용하는 경우에 마스크와 기판 사이게 절연체를 배치함으로써, 양 구성을 전기적으로 분리할 수 있다.
또한, 마스크에 인가되는 전압의 세기를 제어함으로써 전기장의 집중 정도를 용이하게 조절할 수 있다.
또한, 마스크에 형성되는 관통부의 폭을 조절함으로써 기판에 인쇄되는 패턴의 선폭을 제어할 수 있다.
도 1은 종래의 인쇄 장치에 의한 문제점의 일례를 개략적을 도시한 것이고,
도 2는 종래의 인쇄 장치에 의한 문제점의 다른례를 개략적으로 도시한 것이고,
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 정전기력을 이용하는 인쇄 시스템을 개략적으로 도시한 것이고,
도 4a는 도 3의 정전기력을 이용하는 인쇄 시스템을 통한 연속젯 프린팅 작동을 개략적으로 도시한 것이고,
도 4b 는 도 3의 정전기력을 이용하는 인쇄 시스템을 통한 드랍 온 디멘드(drop on demand) 토출 작동을 개략적으로 도시한 것이고,
도 5a는 마스크를 구비하지 않는 종래의 인쇄 장치의 작동시 형성되는 전기장을 도시한 것이고,
도 5b는 도 4의 정전기력을 이용하는 인쇄 시스템의 작동시 형성되는 전기장을 도시한 것이고,
도 6a는 마스크를 구비하지 않는 종래의 인쇄 장치의 작동시 기판에 착탄되는 잉크의 비산 모습을 촬영한 것이고,
도 6b는 도 4의 정전기력을 이용하는 인쇄 시스템의 작동시 기판에 착탄되는 잉크의 비산 모습을 촬영한 것이고,
도 7은 도 4의 정전기력을 이용하는 인쇄 시스템를 통한 연속젯 프린팅 작동 장면을 촬영한 것이고,
도 8은 본 발명의 제2실시예에 따른 정전기력을 이용하는 인쇄 시스템을 개략적으로 도시한 것이고,
도 9는 본 발명의 제3실시예에 따른 정전기력을 이용하는 인쇄 시스템의 개략적인 사시도이고,
도 10은 도 9의 정전기력을 이용하는 인쇄 시스템의 단면도이고,
도 11은 도 9의 정전기력을 이용하는 인쇄 시스템으로부터 액적이 토출되는 과정을 도시한 것이고,
도 12는 도 9의 정전기력을 이용하는 인쇄 시스템에서 액면 제어 동작을 도시한 것이고,
도 13은 도 9의 정전기력을 이용하는 인쇄 시스템으로부터 토출되는 액적의 직경을 제어하는 동작을 도시한 것이고,
도 14는 도 9의 정전기력을 이용하는 인쇄 시스템으로부터 연속적으로 토출되는 잉크의 단면적을 제어하는 동작을 도시한 것이고,
도 15 및 도 16은 본 발명에 따른 정전기력을 이용하는 인쇄 시스템으로부터 제작되는 태양전지의 실제 사진이다.
설명에 앞서, 여러 실시예에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 제1실시예에서 설명하고, 그 외의 실시예에서는 제1실시예와 다른 구성에 대해서 설명하기로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 제1실시예에 따른 정전기력을 이용하는 인쇄 시스템(100)에 대하여 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 정전기력을 이용하는 인쇄 시스템을 개략적으로 도시한 것이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 정전기력을 이용하는 인쇄 시스템(100)은 전기장 집중도를 높여 착탄 정밀도 및 인쇄 품질을 향상시키는 시스템에 관한 것으로서, 노즐(110)과 기판(120)과 마스크(130)와 절연체(140)와 전압 인가부(150)와 제어부(160)를 포함한다.
상기 노즐(110)은 후술하는 기판(120)과의 사이에서 발생하는 전기장에 영향을 받아 내부에 수용되는 잉크를 기판(120) 측으로 토출시키기 위한 부재이다.
한편, 본 실시예에서 노즐(110)에는 후술하는 전압 인가부(150)에 의하여 양극의 전압이 인가된다.
상기 기판(120)은 노즐(110)과 대향되게 위치하여, 노즐(110)로부터 토출되는 잉크가 착탄, 인쇄되는 부재로서, 본 실시예에서 기판(120)은 전기적 전도성이 우수한 특성을 가지는 소재로 마련된다.
한편, 상술한 노즐(110)과 기판(120) 사이에 전기장이 형성되도록 각각에는 전압 인가부(150)에 의하여 서로 다른 극성의 전압이 인가되는 것으로, 본 실시예에서는 노즐(110)에 양극의 전압이 인가되므로 기판(120)에는 음극의 전압이 인가된다.
상기 마스크(130)는 잉크를 토출하기 위해 노즐(110)과 기판(120) 사이에 형성되는 전기장을 관통부(131) 쪽으로 집중시킴으로써 노즐(110)로부터 토출되는 잉크의 착탄 정밀도를 향상시키기 위한 용도의 부재로서, 노즐(110)과 기판(120) 사이에 마련된다.
노즐(110)로부터 토출되는 잉크가 기판(120)에 도달할 수 있도록 잉크의 이동경로 상에는 관통부(131)가 형성된다. 본 실시예에서 관통부(131)의 형상은 기판(120) 상의 인쇄경로에 대응되도록 형성될 수도 있으나, 일부영역에만 형성되고 기판(120) 또는 노즐(110)의 이송과 동시에 이송되는 형태로 마련될 수도 있다.
한편, 형성되는 전기장이 관통부(131)에 집중될 수 있도록 마스크(130)에는 기판(120)에 인가되는 전압과 동일한 극성의 전압, 즉, 본 실시예에서는 양극의 전압이 인가되며, 이에 대해서는 후술한다.
상기 절연체(140)는 전기적 절연 특성을 갖는 소재로 마련되는 것으로, 전압이 인가되는 기판(120)과 마스크(130)의 사이에 배치되어 이들 구성 간의 전기적 연결이 차단되도록 하는 부재이다.
상기 전압 인가부(150)는 상술한 바와 같이, 노즐(110), 기판(120), 마스크(130) 각각에 전압을 인가하기 위한 부재이다.
상기 제어부(160)는 전압 인가부(150)를 제어하여 노즐(110) 또는 기판(120) 또는 마스크(130)에 인가되는 전압의 세기 또는 전압의 극성을 제어하기 위한 부재이다.
지금부터는 상술한 정전기력을 이용하는 인쇄 시스템(100)의 제1실시예의 작동에 대하여 설명한다.
도 4a는 도 3의 정전기력을 이용하는 인쇄 시스템을 통한 연속젯 프린팅 작동을 개략적으로 도시한 것이고, 도 4b 는 도 3의 정전기력을 이용하는 인쇄 시스템을 통한 드랍 온 디멘드(drop on demand) 토출 작동을 개략적으로 도시한 것이고, 이하 도 4a 및 도 4b를 참조하여 작동에 대해서 설명한다.
먼저, 기판(120) 상에 잉크가 토출되어 이송되는 경로, 즉, 기판(120)의 인쇄가 되는 영역 상에 마스크(130)를 정렬한다.
이와 동시에, 제어부(160)는 전압 인가부(150)를 제어하여 노즐(110)에 양극의 전압을 인가하고, 전기적 전도성 소재로 형성되는 기판(120)에는 노즐(110)에 인가되는 전압과 반대 극성인 음극의 전압을 인가한다. 다만, 기판(120)에 전압을 인가하지 않고 전기적으로 접지시켜 노즐(110)과의 사이에서 전기장이 발생되도록 할 수도 있다.
전압 인가부(150)로부터 노즐(110)과 기판(120)에 인가되는 전압에 의하여 노즐(110)로부터 기판(120) 측 방향으로 전기장이 형성되고, 노즐(110) 내부에 수용되는 잉크는 전기장에 의하여 노즐(110)로부터 기판(120) 쪽을 향하여 토출된다.
한편, 제어부(160)는 전압 인가부(150)를 제어하여 노즐(110)과 기판(120) 외에 마스크(130)에 전압을 인가하며, 이때 마스크(130)에는 노즐(110)에 인가되는 전압과 동일한 극성의 전압, 즉, 본 실시예에서는 양극의 전압이 인가된다.
이러한 과정에서, 마스크(130)로의 전압 인가 전에는 노즐(110)에서부터 기판(120) 측으로 비교적 균일하게 형성되던 전기장이 마스크(130)에 양극의 전압이 인가됨에 따라 마스크(130)의 관통부(131) 측으로 집중되어 형성된다. 즉, 노즐(110)과 마스크(120)에 동일한 극성의 전압 인가로 인하여 마스크(130)의 관통부(131), 측, 잉크 액적의 착탄 영역에 대응되는 영역에 전기장이 집중된다.
관통부(131)로의 전기장 집중으로 인하여 노즐(110)로부터 토출되는 잉크는 정확한 위치에 착탄되고, 인쇄 정밀도가 높아질 수 있다. 이와 마찬가지 원리로, 관통부(131)의 폭을 미세화함으로써, 기판(120)에 인쇄되는 패턴의 선폭도 미세화할 수 있다.
한편, 본 실시예에서 제어부(160)가 노즐(110)에 인가되는 전압의 세기보다 높은 세기의 전압을 마스크(130)에 인가하도록 전압 인가부(150)를 제어함으로써, 관통부(131)로의 전기장 집중도를 더욱 향상시킬 수 있으며, 이로 인하여 선폭 미세화 및 인쇄 정밀도가 더욱 향상될 수 있다.
도 5a는 마스크를 구비하지 않는 종래의 인쇄 장치의 작동시 형성되는 전기장을 도시한 것이고, 도 5b는 도 4의 정전기력을 이용하는 인쇄 시스템의 작동시 형성되는 전기장을 도시한 것이다.
도 5a에 도시된 바와 같이, 마스크가 없는 경우에 전기장이 균일하게 형성되나, 도 5b에 도시된 바와 같이 본 실시예의 마스크(130)에 전압이 인가되는 경우에는 관통부(131) 측으로 전기장이 집중되는 것을 알 수 있다.
또한, 도 6a는 마스크를 구비하지 않는 종래의 인쇄 장치의 작동시 기판에 착탄되는 잉크의 비산 모습을 촬영한 것이고, 도 6b는 도 4의 정전기력을 이용하는 인쇄 시스템의 작동시 기판에 착탄되는 잉크의 비산 모습을 촬영한 것이다.
도 6a에 도시된 바와 같이, 마스크를 구비하지 않는 종래의 인쇄 장치의 경우에는 토출되는 잉크의 액적이 기판 상에서 크게 비산되나, 도 6b에 도시된 바와 같이 본 실시예의 마스크(130)에 전압이 인가되는 경우에는 토출되는 잉크가 비산되지 않고 집중되어 착탄됨을 알 수 있다,
또한, 도 7은 도 4의 정전기력을 이용하는 인쇄 시스템를 통한 연속젯 프린팅 작동 장면을 촬영한 것이다.
도 7(a)에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 마스크(130)에 전압이 인가되는 경우에는 잉크의 2차 분쇄현상 없이 연속젯 프린팅이 비교적 직선 하방으로 정확하게 착탄되고, 도 7(b)에 도시된 바와 같이 선폭을 더욱 미세화할 수 있음을 알 수 있다.
다음으로 본 발명의 제2실시예에 따른 정전기력을 이용하는 인쇄 시스템에 대하여 설명한다.
도 8은 본 발명의 제2실시예에 따른 정전기력을 이용하는 인쇄 시스템을 개략적으로 도시한 것이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 정전기력을 이용하는 인쇄 시스템(200)은 전기장 집중도를 높여 착탄 정밀도 및 인쇄 품질을 향상시키는 시스템에 관한 것으로서, 노즐(110)과 기판(220)과 마스크(130)와 대향전극(240)과 전압 인가부(250)왕 제어부(160)를 포함한다.
다만, 본 실시예에서의 노즐(110)과 마스크(130)와 제어부(160)는 제1실시예에서 상술한 구성과 동일한 것이므로 중복 설명은 생략한다.
본 실시예에서 상기 기판은 제1실시예와는 달리 전기적으로 절연 특성을 가지는 소재로 마련된다. 따라서, 후술하는 바와 같이, 본 실시예에서 전압 인가부(250)는 기판(220)에 별도의 전압을 인가하지 않는다.
상기 대향전극(240)은 노즐(110)과 대향되는 기판(220)면의 반대측, 즉, 기판(220)의 하측에 마련되는 금속성 소재의 부재로서, 대향전극(240)에는 전기 절연성 소재로 마련되는 기판(220)을 대신하여 전압이 인가된다.
상기 전압인가부(250)는 노즐(110)과 마스크(130)와 대향전극(240)에 전압을 인가하기 위한 것이다.
즉, 본 실시예에서는 기판(220) 대신 대향전극(240)에 전압이 인가되고, 대향전극(240)에는 노즐(110)에 인가되는 전압과 반대 극성의 전압이 인가되어 노즐(110)과의 사이에서 전기장이 형성되도록 한다.
따라서, 본 실시예에 의하면, 제1실시예에서와는 달리 별도의 절연체를 구비하지 않고 기판(220) 자체를 전기적 절연 특성의 소재로 마련하는 대신, 대향전극(240)을 기판(220) 하측에 마련함으로써 노즐(110)과 대향전극(240)과의 사이에서 전기장이 형성되도록 할 수 있다.
다음으로 본 발명의 제3실시예에 따른 정전기력을 이용하는 인쇄 시스템에 대하여 설명한다.
도 9는 본 발명의 제3실시예에 따른 정전기력을 이용하는 인쇄 시스템의 개략적인 사시도이고, 도 10은 도 9의 정전기력을 이용하는 인쇄 시스템의 단면도이다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 본 발명의 제3실시예에 따른 정전기력을 이용하는 인쇄 시스템(300)은 전기장 집중도를 높여 착탄 정밀도 및 인쇄 품질을 향상시키는 시스템에 관한 것으로서, 노즐(110)과 기판(120)과 마스크(130)와 절연체(140)와 전압 인가부(150)와 제어부(160)와 가스분사부(370)를 포함한다.
다만, 본 실시예에서 상기 노즐(110)과 기판(120)과 마스크(130)와 절연체(140)와 전입 인가부(150)는 제1실시예에서 상술한 구성과 동일한 것이므로 중복 설명은 생략한다.
상기 가스 분사부(370)는 한 쌍의 실린더형 패널을 포함하며 상술한 노즐(110)의 외주면을 감싸도록 배치된다. 즉, 가스 분사부(370)의 종단면의 형상은 환형이 된다.
가스 분사부(370)의 한 쌍의 실린더형 패널은 상호 이격되며, 이격공간을 통하여 가이드 가스가 유동하여 노즐팁 측으로 분사된다. 한편, 가스 분사부(370)의 가이드 가스가 유동하는 영역이 길이방향을 따라 경사를 형성하도록 가스 분사부(370)의 한 쌍의 패널은 노즐(110)의 노즐팁면 측으로 갈수록 직경이 감소하는 형태로 구성된다.
또한, 가스 분사부(370)의 가이드 가스가 분사되는 단부 측은 가이드 가스의 분사방향 및 분사속도를 조절할 수 있도록 구성되는 것이 바람직하다.
이하, 상술한 정전기력을 이용하는 인쇄 시스템의 제3실시예의 작동에 대해서 설명한다.
도 11은 도 9의 정전기력을 이용하는 인쇄 시스템으로부터 액적이 토출되는 과정을 도시한 것이다.
도 11을 참조하면, 노즐(110)로부터 제공되는 잉크가 전기장에 의하여 노즐(110)의 단부에서 액면(메니스커스:Meniscus)(M)이 형성되고, 더 큰 전기장이 형성되면 노즐(110) 단부의 액면(M)은 테일러 콘(taylor's cone)(T)으로 변형된 후에, 최종적으로 잉크 액적(D)이 기판(120) 측으로 토출된다.
한편, 노즐(110) 단부로부터 액적(D)이 이탈되어 토출되는 형태로 기판(S) 상에 패턴을 형성하는 것이 아니라, 노즐(110)에 고전압이 인가되어 잉크가 노즐으로부터 연속적으로(continuously) 토출되도록 함으로써 기판(120) 상에 직선형(linear)의 패턴이 형성되도록 할 수도 있다.
도 12는 도 9의 정전기력을 이용하는 인쇄 시스템에서 액면 제어 동작을 도시한 것이다.
도 12을 참조하면, 상술한 과정 중에, 노즐(110)의 외면과 가스 분사부(370)의 한 쌍의 패널의 이격공간 내로 가이드 가스가 공급되어 분사된다. 이때, 분사되는 가이드 가스의 분사방향은 노즐 단부에 형성되는 잉크의 액면(M)을 향하도록 한다.
한편, 가스 분사부(370)로부터 분사되는 가이드 가스의 분사 방향 및 분사속도가 노즐의 중심으로 대칭을 이루도록 제어하는 것이 바람직하다.
분사되는 가이드 가스는 노즐(110) 상의 액면(M)과 충돌하여 액면(M)의 형상을 변형시키는 동시에 전체적인 액면(M)의 크기를 감소시킨다. 결론적으로, 액면(M) 제어를 통하여 액면(M)으로부터 이탈되어 토출되는 액적(D)의 직경 또한 제어될 수 있다.
또한, 가스 분사부(130)로부터 분사되는 가이드 가스의 분사속도를 조절할 수도 있다. 즉, 액면(M)과 충돌하는 가이드 가스의 운동에너지를 제어함으로써 액면(M)의 크기 및 이로부터 분사되는 액적(D) 단면의 직경을 제어할 수 있다.
한편, 가스 분사부(130)로부터 분사되는 가이드 가스의 분사방향을 조절할 수도 있다. 즉, 제어부(140)는 가이드 가스와 충돌하는 액면(D)의 위치를 제어함으로써 액면의 형상 및 크기를 제어할 수 있다.
도 13은 도 9의 정전기력을 이용하는 인쇄 시스템으로부터 토출되는 액적의 직경을 제어하는 동작을 도시한 것이다.
뿐만 아니라, 도 13에 도시된 바와 같이, 가이드 가스의 분사방향이 액면(M)을 향하도록 하는 것이 아니라, 액면(M)으로부터 이탈되어 토출되는 액적(D)을 향하도록 하여 가이드 가스가 액적(D)과 직접 충돌하도록 함으로써 액적(D)의 직경을 조절할 수도 있다.
도 14는 도 9의 정전기력을 이용하는 인쇄 시스템으로부터 연속적으로 토출되는 잉크의 단면적을 제어하는 동작을 도시한 것이다.
또한, 상술한 바와 같이, 노즐팁면으로부터 액적(D)의 형태로 토출되는 것이 아니라, 도 14에 도시된 바와 같이 연속적인 선형으로 토출되는 경우에도, 제어부(140)는 가스 분사부(130)를 제어하여 가이드 가스가 연속적으로 토출되는 잉크와 직접 충돌하도록 함으로써, 기판(120)에 형성되는 패턴의 선폭을 제어할 수 있다.
즉, 일반적인 정전기력을 이용하는 인쇄장치에 관여하는 힘은 하기의 수학식과 같이 전기장에 의한 전기졀과 중력, 액면에 존재하는 전기력의 반대방향의 표면장력이 있다.
[수학식]
Fg - Fst + Fe = 0 (단, Fg는 중력, Fst는 표면장력, Fe는 전기력을 의미한다.)
따라서, 상술한 수학식의 균형에 의하여 액면에서 액적 또는 연속적인 형태의 라인형 젯이 분사된다.
이러한 일반적인 장치의 경우 잉크의 전기전도도의 한계에 따라 정전기력이 부족하면 젯이 발생하지 않고, 너무 과도하면 스프레이 형태로 분사되어 토출 안정도를 유지하기 어렵다.
그러나, 본 실시예에 의하면, 하기의 수학식에서와 같이 노즐(110)을 감싸는 기체유동을 추가함으로써 액면(M)에 기체유동에 의한 물리적 힘을 부가함으로써, 토출을 용이하게 하고 안정적이게 할 수 있다.
[수학식]
Fg - Fst + Fe + Fgf= 0 (단, Fg는 중력, Fst는 표면장력, Fe 는 전기력, Fgf 는 가스 분사부로부터 분사되는 가스에 의한 힘을 의미한다.)
따라서, 본 실시예의 정전기력을 이용하는 인쇄 시스템(300)에 의하면, 가이드 가스를 노즐에 형성되는 액면(M)에 분사하여 액면(M)을 제어하거나, 분사되는 액적(D) 또는 노즐(110)로부터 연속적인 형태로 토출되는 잉크에 직접 분사하여, 최종 기판(120)에 형성되는 패턴의 크기 또는 선폭을 미세화할 수 있다.
또한, 본 실시예에 의하면, 고점도의 잉크를 토출하는 경우에도, 기판(120) 상에서 형성되는 패턴의 선폭을 미세화할 수 있으므로 고품질의 패터닝이 가능하다.
또한, 본 실시예에 의하면, 가이드 가스가 토출 후 잉크의 이차파괴(break-up) 현상을 방지하고, 이로 인하여 기판(120) 상에서 원하는 패턴에 흩뿌려지는 것을 방지됨으로써 선명한 패턴이 형성될 수 있다.
즉, 도 15 및 도 16은 본 발명에 따른 정전기력을 이용하는 인쇄 시스템으로부터 제작되는 태양전지의 실제 사진이다.
상술한 실시예들을 비롯하여, 본 발명의 정전기력을 이용하는 인쇄 시스템에 따르면, 미세선폭의 패턴을 고종횡비(high aspect-ratio)로 제작할 수 있으며, 도 15 및 도 16에 도시된 바와 같이, 본 발명을 이용하여 고종횡비 패턴을 가지는 태양전지를 제작하는 등의 다양한 공정에 널리 이용될 수 있다.
본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.
110 : 노즐 120 : 기판
130 : 마스크 140 : 절연체
150 : 전압 인가부 160 : 제어부

Claims (10)

  1. 내부로부터 잉크가 토출되도록 전압이 인가되는 노즐;
    상기 노즐과 대항되고 상기 노즐로부터 분사되는 잉크가 착탄되며 전기적 절연성을 가지는 소재로 마련되는 기판;
    상기 노즐과 상기 기판 사이에 배치되고, 상기 노즐로부터 상기 기판 상으로 토출되는 잉크가 통과하도록 잉크의 이동경로 상에 관통부가 형성되며, 상기 관통부 내로 전기장이 집중되도록 상기 노즐에 인가되는 전압과 동일한 극성의 전압이 인가되는 마스크;
    상기 노즐 또는 상기 마스크에 전압을 인가하는 전압 인가부;
    상기 노즐과 대향되는 면의 반대쪽에 마련되며, 상기 전압 인가부로부터 상기 노즐에 인가되는 전압과 반대 극성의 전압이 인가되는 대향전극;을 포함하는 것을 특징으로 하는 정전기력을 이용하는 인쇄 시스템.
  2. 내부로부터 잉크가 토출되도록 전압이 인가되는 노즐;
    상기 노즐과 대항되고 상기 노즐로부터 분사되는 잉크가 착탄되며 전기적 전도성을 가지는 소재로 마련되는 기판;
    상기 노즐과 상기 기판 사이에 배치되고, 상기 노즐로부터 상기 기판 상으로 토출되는 잉크가 통과하도록 잉크의 이동경로 상에 관통부가 형성되며, 상기 관통부 내로 전기장이 집중되도록 상기 노즐에 인가되는 전압과 동일한 극성의 전압이 인가되는 마스크;
    상기 노즐 또는 상기 마스크에 전압을 인가하는 전압 인가부;
    상기 마스크와 상기 기판 간의 전기적 연결이 차단되도록 상기 마스크와 상기 기판 사이에 배치되는 절연체;를 포함하는 것을 특징으로 하는 정전기력을 이용하는 인쇄 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 전압 인가부는 상기 관통부 내로 전기장의 집중도를 증가시키기 위하여 상기 노즐에 인가되는 전압보다 높은 전압을 상기 마스크에 인가하는 것을 특징으로 하는 정전기력을 이용하는 인쇄 시스템.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 관통부의 폭을 조절하여 상기 기판에 인쇄되는 패턴의 선폭을 제어하는 것을 특징으로 하는 정전기력을 이용하는 인쇄 시스템.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 노즐로부터 토출되는 잉크의 단면적이 제어되도록 상기 노즐의 외측에서 가이드 가스를 분사하는 가스 분사부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 정전기력을 이용하는 인쇄 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 잉크는 전기장에 의하여 상기 노즐의 단부에서 액면을 형성한 후에 액적으로 토출되고,
    상기 가스 분사부는 상기 노즐의 단부에 형성되는 상기 잉크의 액면을 향하여 상기 가이드 가스를 분사함으로써 상기 잉크의 액면을 제어하는 것을 특징으로 하는 정전기력을 이용하는 인쇄 시스템.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 가스 분사부는 상기 노즐로부터 분사되는 액적을 향하여 상기 가이드 가스를 분사함으로써 분사되는 잉크 액적의 직경을 제어하는 것을 특징으로 하는 정전기력을 이용하는 인쇄 시스템.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 잉크는 상기 노즐로부터 연속적으로 분사되며,
    상기 가스 분사부는 상기 노즐로부터 선형(linear)으로 연속하여(continuously) 토출되는 잉크를 향하여 상기 가이드 가스를 분사함으로써 토출되는 잉크 단면의 직경을 제어하는 것을 특징으로 하는 정전기력을 이용하는 인쇄 시스템.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 노즐의 외경은 상기 잉크가 분사되는 측으로 갈수록 감소하며,
    상기 가스 분사부는 상기 노즐로부터 이격되어 상기 노즐을 감싸는 이격 하우징을 포함하고, 상기 노즐과 상기 이격 하우징 사이에 형성되는 가스유동로를 통하여 상기 가이드 가스를 분사하는 것을 특징으로 하는 정전기력을 이용하는 인쇄 시스템.
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